Bu tez çalışmasında tek fazlı eviricinin yapısı ve modülasyon algoritmaları incelenmiştir. Tek fazlı eviricinin iki farklı modülasyon tekniği kullanılarak Matlab/Simulink modeli elde edilmiş ve değişik çalışma koşulları altında benzetim sonuçları alınmıştır. Bir karşılaştırma yapabilmek için modeller her iki modülasyon algoritması için aynı şartlarda çalıştırılmıştır.
Sabit bir DA kaynağından beslenen tek fazlı eviricilerde motor ve benzeri yüklerin beslenmesi durumunda frekans kontrolünün yanında gerilim kontrolüne de ihtiyaç duyulur. Yani asenkron motorda, senkron hızının altındaki hız değerlerinde çalışırken sabit moment elde edebilmek için motorun V/f oranı sabit tutulmalıdır.
Tek fazlı eviricilerde gerilim kontrolü iki şekilde yapılabilir. Bunlardan birincisi evirici anahtarlarının sinyalleri arasına bir gecikme koyarak yapılan kısmi kare dalga modülasyon tekniği iken diğeri ise darbe genişlik modülasyon (PWM) tekniğidir. Her iki teknik kullanılarak farklı frekans ve modülasyon indeksi değerleri için benzetim sonuçları alınmış ve gerilim ile akımların frekans spektrumları da verilerek bir karşılaştırma yapılmıştır.
Kısmi kare dalga tekniğinde anahtarlar bir çıkış periyodunda iki kere konum değiştirdiklerinden dolayı bu teknikteki anahtarlama kayıpları düşük olacaktır. Ancak ana harmonik dışındaki harmonikler ise PWM tekniğine göre daha etkin olacaktır. Özellikle düşük modülasyon indekslerinde ana harmoniğe yakın diğer harmoniklerin genlikleri çok yüksek olacaktır. Bu da bu tekniğin önemli bir dezavantajıdır. Bu teknik ile anahtarlar arasındaki sinyallerin gecikmesi ayarlanarak istenmeyen harmonikler elimine edilebilir. Yani harmonik eliminasyonu yapılabilir. Örneğin, anahtarlar arasındaki gecikme olan , 120o’ye ayarlanırsa evirici çıkış geriliminde üç ve üçün katı harmonikler bulunmayacaktır. Ya da 72o yapılırsa çıkışta beş ve beşin katı harmonikler yok olacaktır. Böylece ayarlanarak çıkışta istenmeyen harmonikler elimine edilebilir. Bu özellik bu tekniğin önemli bir avantajı olarak görülebilir.
PWM tekniğinde ise çıkış gerilimindeki harmonikler modülasyon indeksinin yanında doğrudan taşıyıcı frekansına bağlıdır. Ana harmoniğe en yakın harmonikler taşıyıcı frekans ve onun yan bantlarında bulunduğu için taşıyıcı frekans artırılarak bu harmoniklerin etkisi azaltılabilir. Çünkü bu harmonikler indüktif yükün alçak geçirgen
64
etkisiyle kolayca filtre edilebilir. Dolayısıyla taşıyıcı sinyalin frekansı arttıkça çıkışın kalitesi o derece artmaktadır. Bu özellik bu yöntemin kısmi kare dalga yöntemine göre önemli bir avantajıdır. Ancak taşıyıcı frekansının çok artması anahtarlama frekansının artması anlamına geleceği için eviricinin anahtarlama kayıpları artacak ve dolayısıyla verimi düşecektir. Bu yüzden anahtarlama frekansı ile kayıpların lineer ilişkisi göz önünde bulundurularak anahtarlama frekansı optimum olarak belirlenmelidir.
Kısmi kare dalga modülasyon algoritmasında ana harmonik geriliminin maksimum efektif değeri evirici giriş gerilimi olan DA geriliminin % 90’ı iken PWM algoritmasında lineer bölge için bu değer % 70,7’dir. PWM algoritmasında ana harmoniğin efektif değeri ancak modülasyon indeksini 1’in üzerine çıkararak (aşırı modülasyon) arttırılabilir. Fakat bu durumda PWM algoritmasının avantajları ortadan kaybolacak ve çıkış gerilimi kare dalga şekline yaklaşacaktır.
Bu tezde tek fazlı eviriciler için yeni bir kontrol yöntemi önerilmiştir. Bu yöntem kısmi kare dalga kontrol yönteminin en önemli avantajı olan düşük anahtarlama frekansı avantajına sahiptir. Tek fazlı eviriciler yüksek güçlerde sıklıkla kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle elektrikli lokomotif uygulamaları ve çok seviyeli evirici uygulamalarında kullanılmaktadır. Büyük güçlerde anahtarlama kayıplarının azaltılması önem arz etmektedir. Önerilen yöntem bir çıkış periyodu için eviricilerdeki anahtarların sadece bir kez iletime ve kesime sokulmasını sağladığı için anahtarlama kayıpları minimize edilmekte büyük güçlerde düşük anahtarlama frekanslarında çalışabilen büyük güçlü yarı iletken elemanların tek fazlı eviricilerde kullanımına olanak vermektedir.
Önerilen yöntemin kısmi kare dalga yöntemine göre diğer önemli bir avantajı ise düşük çıkış gerilim değerlerinde bile düşük THD’ye sahip olmasıdır (% 31,8). Önerilen kontrol yöntemi evirici çıkışında her gerilim değeri için en baskın olan üç ve üçün katı harmonikleri elimine edecek şekilde aynı dalga şekli üretmektedir. Böylece evirici çıkış geriliminde sadece üç ve üçün katı dışındaki diğer tek sayılı harmonikler bulunmaktadır. Bu harmoniklerin genlikleri ise harmonik derecesine bağlı olarak ters orantılı şekilde azalmaktadır. Örneğin 5. harmoniğin genliği ana harmoniğin 1/5 katı kadar olmaktadır. Önerilen yöntem ile çıkış gerilim kontrolü, DA bara gerilimini bir kontrollü doğrultucu veya bir DA kıyıcısı ile ayarlayarak yapılmaktadır. Kontrol yöntemi her çıkış gerilim değeri için DA bara gerilimini hesaplamakta ve uygun kontrol sinyallerini kontrollü doğrultucudaki tristörlere veya DA kıyıcısının anahtarına uygulamaktadır.
65
Bu tezde yapılan MATLAB/Simulink modelleri ile hem önerilen kontrol sisteminin ve hem de kısmi kare dalga yönteminin benzetimleri yapılmış farklı çıkış frekansları için sonuçlar alınmıştır. Önerilen yöntemin her çıkış frekansı için kısmi kare dalga yöntemine göre çok daha iyi sonuçlar verdiği benzetim sonuçlarıyla gösterilmiştir. Özellikle düşük çıkış frekanslarında (Örneğin 5 Hz) THD’nin kısmi kare dalga yöntemine göre 10 kat azaldığı gözlemlenmiştir. Evirici çıkış frekansı arttıkça bu iki yöntemin sağladığı çıkış gerilimi dalga şekillerindeki THD’ler arasındaki fark azalsa da önerilen yöntemin yüksek çıkış frekanslarında da daha iyi sonuç verdiği benzetim sonuçlarıyla ispatlanmıştır.
Her iki yöntemin çıkış frekansları bir rampa fonksiyonu ile arttırılmış 50 Hz’e kadar sistemin sabit V/f ile çalıştığı 50 Hz’in üzerinde ise V/f oranının azaldığı yük akımı dalga şekilleri ile gösterilmiştir. Bu sonuç yükün bir motor olması durumu için önem arz etmektedir. Önerilen kontrol yöntemiyle aynı zamanda tek fazlı bir asenkron motorun sabit V/f ile sabit moment bilgesinde çalıştırılabileceği nominal frekansın üzerindeki frekanslarda ise nominal hızın üzerine çıkılarak motorun sabit güç bölgesinde çalıştırılabileceği gösterilmiştir.
66
KAYNAKLAR
[1] Murphy, J.M.D., Turnbull, F.G. 1989. Power Electronic, Control of AC Motors.
Pergamon Press.
[2] Mohan, N., Undeland, T.M. ve Robbins, W.P. 1989. Power Electronics: Converters,
Applications, and Design. John Wiley & Sons, Singapore.
[3] Rashid, H.M. 2014. Power Electronics, Circuits, Devices, and Applications,
PERASON Press.
[4] Bodur, H. 2010. Güç Elektroniği, Birsen Yayınevi, İstanbul.
[5] Samosir A. S., Mohd Yatim A. H., 2009. Dynamic Evolution Controller for Single
Phase Inverter Application, IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications, ISIEA 2009, Kuala Lumpur, Malaysia, 530-535.
[6] Karshenas, H.R., Niroomand M., 2005. Design and implementation of a single phase
inverter with sine wave tracking method for emergency power supply with high performance reference, Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems, ICEMS, 1232-1237.
[7] Kamel A.M., Ortmeyer T.H., 1989. Harmonic reduction in single-phase inverter
using a parallel operation technique, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC' 89, 101-108.
[8] Tutkun N., Türkkan Y., Ibrahimbaş M., Yücel N., 2010. Harmonic elimination in a
single phase inverter output voltage with 2 and 4 bipolar notches in a half cycle by the HGA, International Symposium on Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion, SPEEDAM 2010, 1410-1415.
67
[10] Xue Y., Chang L., Kjær S.B., Bordonau J., and Shimizu T., 2004. Topologies of
single-phase inverters for small distributed power generators: An overview, IEEE Transactions on Power Electronics, 19(5), 1305-1314.
[11] Mamun A., Elahi M. F., Quamruzzaman M., Tomal U., 2013. Design and
implementation of single phase inverter, International Journal of Science and Research, IJSR, 2(2), 163-167.
[12] Abdul Kareem Z., Mansoor Ahmed G. Abdullah, 2012. Analysis and simulation of
single phase inverter controlled by neural network, Al-Rafidain Engineering, 20(6), 1- 14.
[13] Haider, R., Alam, R., Yousuf, N.B., Salim, K.M. 2012. Design and construction of single phase pure sine wave inverter for photovoltaic application, International Conference on Informatics, Electronics & Vision, ICIEV 2012, 190-194.
[14] Sotoodeh P., Miller R.D., 2013. A new single-phase inverter with D-STATCOM capability for grid-connected small wind turbines, Power and Energy Conference at Illinois, PECI 2013, 175-179.
[15] Carnieletto R., Branda˜ D.I.O., Suryanarayanan S., Felix A. F., and Simo˜ Esa G. M., 2011. Multifunctional single-phase voltage-source inverter, IEEE Industrial
68
ÖZGEÇMİŞ
Zeliha SÜNTER
sunterz@hotmail.com; zsunter@ptt.gov.tr Tel: 0424 2336718
PTT Başmüdürlüğü, Posta İşletme Hizmetleri Müdürü, Elazığ
1967 :Erzin- Hatay’da doğdu.
1985 :Malatya Turan Emeksiz Lisesini bitirdi.
1991 :Fırat Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Böülümünü bitirdi. 1991-1995 :Nottingham – İngiltere’de eş durumundan dolayı bulundu. Çeşitli İngilizce
kurslarına katıldı.
1996 :Elazığ Gazi Endüstri Meslek Lisesinde Elektronik Öğretmeni olarak göreve başladı.
2002-2004 :İller Bankası 12. Bölge Müdürlüğünde Elektrik-Elektronik Mühendisi olarak göreve yaptı.
2004 : Elazığ PTT Başmüdürlüğünde Elekrik-Elektronik Mühendisi olarak göreve başladı.
2011 :Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Elektrik Makinaları Anabilim dalında yüksek lisans eğitimine başladı. 2011 :Elazığ PTT Başmüdürlüğünde Posta İşletme Hizmetleri Müdürlüğüne